Samozbijajuci Beton Svojstva i Tehnologija

Sekula Živković1

SAMOZBIJAJUĆI BETON – SVOJSTVA I TEHNOLOGIJA Rezime Poslednjih dvadeset godina zapažena su dva kontradiktorna procesa, vezana za trajnost betonskih konstrukcija: (1) poboljšanje kvaliteta betonskih mešavina, kao rezultat stalnog rasta tehnoloških saznanja i usavršavanja propisa i standarda, vodilo je povećanju potencijalne trajnosti betonskih konstrukcija i (2) usled sve većeg nedostatka dobro obučenih radnika na betoniranju, zapažen je opšti pad kvaliteta izvođenja radova, što je dovelo i do pada stvarne trajnosti betonskih konstrukcija. Prevazilaženje jaza između ova dva, međusobno suprotstavljena procesa, moguće je samo kroz odlučno povećanje nivoa industrijalizacije izvođenja radova, tj. putem eliminacije uticaja "faktora čovek" na kvalitet izvedenih konstrukcija. Primenom samozbijajućeg betona (SelfCompacting Concrete-SCC) moguće je postići ovaj cilj. Trajnost konstrukcija tada isključivo zavisi od ostvarenog kvaliteta betonske mešavine. Ključne reči: Samozbijajući,Samougrađujući,Beton,Ugradljivost,Obradljivost,Segregacija,Viskozitet,Super plastifikator,Modifikacija,Fine čestice,Trajnost.

SELF-COMPACTING CONCRETE A STEP TOWARD DURABLE CONCRETE STRUCTURES Summary Over the last 20 years the two contradictory processes, connected to the durability of concrete structures, were observed: (1) improvement of the quality of concrete mixtures, as a result of a continuous growth of the knowledge in technology and of the improvement of codes and standards, led toward the potential durability of concrete structures, and (2) a general decline of the quality of performance of the works, because of gradual reduction in the number of well skilled workers in concreting, affecting a decrease of actual durability of concrete structures. The exceed of the gap between these two mutual opposed processes can only result through a decisive increase of the industrialisation level of the construction process of works, i.e. through the elimination of the effect of "man-factor" on the quality of performed structures. By use of Self-Compacting Concrete it is possible to achieve this aim. The durability of structures then exclusively depends on the achieved quality of concrete mixture. Key words: Sself-compacting,Self-placing,Concrete,Placebility,Workability,Segregation,Viskosity, Superplasticizer,Modification,Fine particles,Durability.

1

Prof. dr Sekula Živković, dipl.građ.inž., Građevinski fakultet, Beograd, Bulevar Kralja Aleksandra 73

1. UVOD Po svojoj pravoj prirodi "samozbijajući beton" (Self-Compacting Concrete-SCC) ili "samougradljiv beton", (Self-Placing Concrete-SPC) je takav beton koji nakon unošenja u oplatu ne zahteva vibriranje. Zbijanje (kompaktiranje) ovog betona u svakom delu, ili u svakom uglu oplate, uključujući i njene teško pristupačne delove, ostvaruje se bez ikakvih spoljnih sila, osim sile gravitacije, tj. njegove sopstvene težine. Sveža betonska mešavina uneta u oplatu "teče lagano i potpuno ispunjava čak i najmanje prostore između šipki armature, odnosno između armature i oplate"[1]. Bez obzira na visok stepen fluidnosti, ovakav beton ima istovremeno i vrlo visoku otpornost na raslojavanje (segregaciju) sve tri vrste: - otpornost prema spoljnoj segragaciji: izdvajanje krupnog agregata (aggregate settlement) i izdvajanje vode (bleeding), - otpornost prema internoj segragaciji: ravnomerna distribucija komponenata za vreme unošenja u oplatu, - otpornost na segregaciju pri rasprostiranju: nema međusobnog "uklještavanja" zrna agregata i "sudaranja" sa šipkama armature i oplatom. Reč je, dakle, o betonskoj mešavini koju karakteriše vrlo visoka sposobnost rasprostiranja, čak i kroz prepreke koje predstavljaju gusto raspoređene (nagomilane) šipke armature. Druga važna reološka karakteristika većine mešavina ovog betona je da su tiksotropne. Ovakva svojstva samozbijajućeg betona postižu se dodavanjem betonu hemijskih dodataka (aditiva) treće generacije superplastifikatora, najčešće u kombinaciji sa jednom novom vrstom hemijskih dodataka za modifikaciju viskoziteta ("Viscosity-Modifying Admixture"-VMA) i primenom određene količine finog mineralnog dodatka - praha (elektrofilterski pepeo, fino samlevena zgura visokih peći, silikatna prašina, kameno brašno i dr.). Najveće zrno agregata najčešće ne prelazi 20-25 mm, premda ima i primera primene i krupnijeg agregata, do 40 mm [2]. S obzirom na uglavnom niske vrednosti vodocementnog faktora (najčešće ispod 0,40), pored svih napred navedenih svojstava, ovi betoni uglavnom postižu i vrlo visoke čvrstoće, mada ima i primera betona za masivne elemente i konstrukcije sa nižim količinama cementa (200-250 kg/m3) i sledstveno tome znatno viših vodocementnih faktora, kada su čvrstoće osetno niže: 25-30 MPa [2]. Razvijen tokom poslednje decenije prošlog stoleća u Japanu i kontinentalnom delu Evrope, samozbijajući beton danas se u značajnom obimu primenjuje kako u SAD i Velikoj Britaniji, tako i u nekim od naftom bogatih zemalja Srednjeg Istoka. 2. PROBLEMI TRAJNOSTI BETONSKIH KONSTRUKCIJA I POČECI RAZVOJA I PRIMENE SAMOZBIJAJUĆEG BETONA Može se slobodno reći da je osnovni razlog početka intenzivnih i vrlo ozbiljnih istraživanja na planu dobijanja samozbijajućih betonskih mešavina, narastajući problem trajnosti betonskih konstrukcija. Problemi trajnosti betonskih konstrukcija naročito su krajem dvadesetog veka bili aktuelni u Japanu, te su istraživanja u tom pravcu, a na inicijativu Hajime Okamura-e 1986. godine, počela u Japanu. Naime, sa početkom koji datira negde od 1983. godine, narednih nekoliko godina problem trajnosti betonskih konstrukcija bio je u samom vrhu interesa japanskih istraživača u oblasti građevinarstva. Izgradnja trajnih betonskih i armiranobetonskih konstrukcija povezana je sa zahtevom za adekvatno zbijanje (kompaktiranje) od strane dobro obučenih radnika za ovu vrstu posla. Međutim, kontinuirano opadanje broja kvalifikovanih i dobro obučenih radnika u Japanu u ovom periodu vodilo je stalnom opadanju kvaliteta građevinskih radova. Sticajem okolnosti, sa ovim problemima u dobroj meri je bio upoznat i autor ovog rada, koji je od 1987. do 1992. godine, kao član RILEM-ovog Tehničkog komiteta TC94 CHC-Concrete in Hot Climates, imao česte kontakte i značajnu saradnju sa istaknutim japanskim stručnjakom i 2

istraživačem, Dr Shigeru Morinaga-om. Tih godina, građevinski inženjeri i istraživači u Japanu, među kojima i Dr Shigeru Morinaga, prosto su bili opsednuti problemom ugrožene trajnosti i vrlo brzog propadanja armiranobetonskih konstrukcija, posebno konstrukcija na moru i u obalnim područjima. O ovom problemu tada se toliko raspravljalo među japanskim konstrukterima, da se imao utisak kao da je to glavni problem japanskog društva uopšte. Razvijale su se, i ubrzo razvile, savremene metode za praćenje procesa karbonatizacije, za određivanje zavisnosti između sadržaja jona hlorida i pH vrednosti cementne paste zaštitnog sloja (Slika 1), kao i za merenje brzine i dubine karbonatizacije [3]. Potrebno je napomenuti da je problem trajnosti betona, odnosno betonskih konstrukcija, još mnogo ranije, negde polovinom sedamdesetih godina, počeo ozbiljnije da zaokuplja pažnju istraživača na području tehnologije betona, odnosno pažnju građevinskih inženjera-konstruktera. Tokom tog perioda, naime, došlo se do nedvosmislenog zaključka da su najveći problemi trajnosti Slika 1. Zavisnost između maksimalno armiranobetonskih konstrukcija povezani sa dopuštenog sadržaja hlorida i pH faktora [3] korozijom armature u betonu, izazvane karbonatizacijom zaštitnog sloja betona sa jedne i agresivnim delovanjem jona hlorida, sa druge strane. Slika 2 i Slika 3 to na vrlo ilustrativan način pokazuju, pregledom intenzivnog rasta broja objavljenih članaka u svetu, posvećenih problemima karbonatizacije, odnosno hloridne agresije, za period 1960-1984 godina [4].

Slika 2. Učestalost referenci u vezi sa karbonatizacijom [4]

Slika 3. Učestalost referenci u vezi sa hloridnom agresijom [4] 3

Kao rezultat, usledile su izmene odredbi propisa i preporuka mnogih zemalja u vezi sa maksimalno dopuštenim sadržajem hlorida u betonu, odnosno u vezi sa minimalnom debljinom zaštitnog sloja betona [4], (videti Sliku 4).

Slika 4 Preporučena minimalna debljina zaštitnog sloja betona za konstrukcije na moru [4]

Usled akutnog nedostatka dovoljnog broja kvalifikovanih radnika, u prvom redu "betoniraca" koji rade na vibriranju betona, a sa druge strane usled najčešće vrlo guste armature i konsekventno tome, veoma otežanog vibriranja zaštitnog sloja, kvalitet izvođenja bivao je značajno ugrožen. Jedno od rešenja bilo je i razvoj takve vrste betona, koji će i u ovakvim uslovima obezbediti i garantovati kvalitetno zbijen, kompaktan beton, uopšte, a posebno u okviru zaštitnog sloja, a time i trajnije betonske konstrukcije, [5]. Kao što je napred napomenuto, na neophodnost razvoja takve vrste betona prvi je ukazao H. Okamura 1986. godine. Rad na razvoju samozbijajućeg betona (Self Compacting Concrete), uključujući i fundamentalna istraživanja ugradljivosti i obradljivosti betona (Workaility of Concrete), predvodili su Ozava, Okamura i Maekawa na Univerzitetu u Tokiju i o tome svojim radovima upoznali japansku i svetsku javnost (K. Ozawa 1989, Okamura 1993 i Maekawa 1999). Već 1988. godine bio je napravljen beton koji se smatra prototipom "samozbijajućeg betona", a koji je tada nazvan "beton visokih performansi" (High Performance Concrete-HPC). Svojstva ovog betona tada su opisana na sledeći način [5]: (1) U svežem stanju: samougradljiv (2) U ranoj starosti: bez inicijalnih defekata, (3) U očvrslom stanju: otporan na spoljne uticaje, odnosno trajan. Otprilike u isto vreme, 1989. godine, profesori Aitcin i Gagne su "beton visokih performansi" definisali kao beton visoke trajnosti, zahvaljujući niskom vodocementnom faktoru. Od tada, termin "beton visokih performansi" počeo je u celom svetu da se odnosi na "beton visoke trajnosti" (High Durability Concrete-HDC). H. Okamura je, međutim, ovaj termin kasnije preinačio u "samozbijajući beton visoke trajnosti" (Self Compacting High Performance Concrete) [2]. Nakon svog prvog rada o samozbijajućem betonu 1989. godine, isti autor je, na Međunarodnoj konferenciji KANMET & ACI u Istanbulu 1992. godine, takođe dao prezentaciju ovog betona. Usledio je ACI workshop u Bangkoku 1994. godine, na kome je samozbijajući beton već postao poznat svim istraživačima na polju trajnosti betona, kao i na polju racionalizacije konstrukcijskih metoda. Koliko je bilo veliko interesovanje u Japanu krajem osamdesetih i u toku devedesetih godina za samozbijajući beton, možda najrečitije govori pregled broja prezentacija o ovoj temi, održanih u okviru japanskog Instituts za beton (Japan Concrete Institute-JCI), od strane japanskih Univerziteta, raznih građevinskih kompanija i drugih, prikazan na Slici 5.

4

Slika 5 Pregled broja prezentacija o samozbijajućem betonu na JCI - Japan, za 1989-1996. godinu [5]

3. MEĐUNARODNE KONFERENCIJE O SCC I ANGAŽOVANJE MEĐUNARODNIH STRUKOVNIH UDRUŽENJA NA DONOŠENJU PREPORUKA, UPUTSTAVA, PROPISA I STANDARDA IZ OBLASTI SCC Rast značaja samozbijajućeg betona i njegov veliki potencijal početkom devedesetih godina i u Evropi postaju očigledni. Uvođenje samozbijajućeg betona (SCC) u Evropu tesno je povezano sa aktivnostima RILEM-a (Međunarodno udruženje laboratorija i eksperata za materijale i konstrukcije). Ova međunarodna tehnička asocijacija bavi se problemima SCC kroz rad Tehničkih Komiteta i organizovanjem međunarodnih simpozijuma. RILEM, odnosno članovi njegovih Tehničkih Komiteta, organizovali su i učestvovali u radu četiri međunarodna simpozijuma na temu SCC: prvi u Glazgovu, 1996., drugi u Stokholmu 1999., treći u Tokiju 2001. i četvrti u Rejkjaviku 2003. godine. Planirano je da se 2005. godine na istu temu održi simpozijum i u Čikagu 2005. godine, ali autoru ovog rada za sada nije poznato da li je on i održan. Tehnički komitet TC145 WSM - Workability of Fresh Special Concrete Mixes, koji je osnovan 1992. godine organizovao je simpozijum, odnosno vrlo uspešnu međunarodnu konferenciju u Glazgovu - "Metodi proizvodnje i ugradljivost svežeg betona" na kojoj je veliki broj radova bio posvećen i SCC-u. Prvi međunarodni simpozijum o samozbijajućem betonu organizovan je 1999. godine u Stokholmu, od strane novog RILEM-ovog Tehničkog Komiteta TC174 SCC Self Compacting Concrete, koji je osnovan 1997. godine i koji je radio do 2000. godine. Ovaj Komitet je na ovom simpozijumu postavio sebi složen zadatak da do kraja 2000. godine napravi Preporuke o projektovanju sastava, proizvodnji i primeni samozbijajućeg betona. Međutim, rad Komiteta je završen objavljivanjem Izveštaja o najnovijim dostignućima u oblasti tehnologije SCC, uz opisivanje raspoloživih opcija, ali on nema težinu Preporuka. U tom izveštaju analizirana su svojstva svežeg i očvrslog SCC betona, zatim projektovanje mešavine, spravljanje, ugradnja i primena, a opisane su i metode ispitivanja svežeg samozbijajućeg betona. U vreme kada je prethodni Komitet privodio kraju svoj rad, RILEM je u jesen 2000. godine osnovao Tehni;ki Komitet TC 188-CSC – Ugradnja samozbijajućih betona, koji se bavio različitim aspektima proizvodnje, mešanja, transporta, ugradnje i negovanja, zatim kontrolom kvaliteta i projektovanjem oplata za konstrukcije od SCC betona i sl., [6]. Kako je tada SCC postao široko prepoznatljiv u Evropi, to i druge relevantne asocijacije osnivaju svoje posebne Tehničke Komisije (Komitete), Tehničke ili radne grupe, koje će se baviti istraživanjem i razvojem SCC. FIB (Međunarodna Federacija za Beton), nastala 1998. godine 5

spajanjem CEB (Evropski Komitet za Beton) i FIP (Međunarodna Federacija za Prednaprezanje) u okviru Tehničke Komisije C 8 (Beton) osniva Tehničku (radnu) grupu TG 8.4, koju predvodi Ozava, jedan od začetnika istraživanja SCC. Predviđeno je da ova radna grupa održava bliske kontakte sa RILEM-ovim Tehničkim Komitetima i Međunarodnom mrežom o SCC (SCC-net – formiranoj pri Kochi University of Technology, Japan), koju predvodi Hajime Okamura,“otac“ SCC-a, kako bi se izbeglo dupliranje rada. Ova grupa prvenstveno treba da se bavi razvojem Preporuka i/ili Pravila za širu primenu SCC i Vodiča za budući razvoj projektovanja i izvođenja konstrukcija na bazi SCC. FIB je inicirao i osnivanje tzv. „Industrijskih komiteta“ za razvoj ove nove vrste betona, najčešće u sprezi sa nacionalnim asocijacijama za beton i njihovom evropskom mrežom [6]. EFNARC (Evropska Federacija Proizvođača Građevinske Hemije i Betonskih Sistema), koja je nastala 1989. godine, sa osnovnim ciljevima da zaštiti komercijalne interese svojih članova, ali i da promoviše i razvija tržište, održava tehničke i profesionalne standarde za svoje proizvode, formirala je svoj Tehnički Komitet SCC sa ciljem da priprema „Specifikacije i preporuke za SCC“. U radu ovog Komiteta učestvovali su uglavnom predstavnici vodećih proizvođača građevinske hemije (Degussa, Mapei, MBT, Sika, Domilco). U februaru 2002. godine EFNARC je i objavio ove preporuke, pod naslovom «Specification and Guidelines for Self Compacting Concrete», [7]. Evropsko društvo za istraživanje i razvoj tehnologije, pokrenula je, u sklopu aktivnosti Brite Eu Ram Project-a program „Racionalna proizvodnja i poboljšanje radnog okruženja kroz primenu SCC“. Projekat je trajao od 1997. do 2000. godine i bio je podeljen na 9 glavnih zadataka: -

Preliminarni projekat mešavine Ugradljivost Reologija Svojstva očvrslog betona Metode projektovanja mešavine Beton armiran vlaknima Sistemi oplate i kvalitet površine Proizvodnja betona Finalni proizvod.

Izveštaj devetog zadatka ima formu „Principi i preporuke za SCC“. U projektu su učestvovali univerziteti, državne institucije i proizvodne firme iz oblasti građevinarstva. Isto društvo pokrenulo je i novi program „Ispitivanje svojstava svežeg SCC“ i planira da za svoja istraživanja potraži potporu i pri CEN-u. Nacionalna strukovna udruženja većine razvijenih evropskih zemalja u kojima se primenjuje SCC uglavnom su pripremile Uputstva ili Preporuke o upotrebi SCC. Jedan od prvih objavljenih dokumenata je „Preporuke za SCC Japanskog udruženja građevinskih inženjera (JSCE), a slično su uradila i udruženja nekih evropskih zemalja (Francuska, Švedska, i dr.), [6]. U našoj zemlji poslednjih nekoliko godina takođe su započeta teorijska i eksperimentalna istraživanja iz ove oblasti, pre svega na Građevinskom fakultetu u Beogradu, gde je, osim nekoliko urađenih diplomskih radova u toku i rad na jednoj doktorskoj tezi iz ove oblasti. Građevinski fakulteti iz Beograda, Tehnički fakultet u Novom Sadu i Graćevinsko-arhitektonski fakultet u Nišu, zajedno sa Institutom IMS iz Beograda, rade na jednoj naučnoj temi u kojoj je glavni akcenat dat istraživanjima SCC betona. Potrebno je istaći i to da je na Novom Beogradu tokom protekle godine, na jednom velikom poslovnom objektu, uspešno izvedena armiranobetonska temeljna ploča primenom Samozbijajućeg-SCC betona.

6

4. REOLOŠKO-TEHNOLOŠKI ZAHTEVI SAMOZBIJAJUĆIH (SAMOUGRADLJIVIH) BETONSKIH MEŠAVINA 4.1 Opšta razmatranja reoloških svojstava betona tipa SCC Kao što je opšte poznato, sa reološke tačke gledišta sveža betonska mešavina može se tretirati kao jedinstveno fizičko telo u okiru koga su voda, čestice cementa i zrna agregata mežusobno povezani unutrašnjim silama veze, te se u reološkom pogledu može definisati kao elasto-plastičnoviskozan sistem. Ovakvi sistemi poseduju određenu strukturnu smičuću čvrstoću τ0, kao i određen viskozitet η, te u reološkom pogledu pripadaju tzv. Bingham-ovom telu ili Bingh-amovom fluidu, ⋅ dγ z kod koga vezu između smičućeg napona τ i brzine priraštaja deformacija deformacija = γ , sa dt dovoljnom tačnošću, može oprisati niže data relacija (1), čija je grafička interpretacija prikazana na Slici 6 [8]: ⋅ dγ τ = τ 0 +η z = τ 0 +η ⋅γ (1) dt U navedenom izrazu veličina τ0 predstavlja granično smičuće naprezanje (granicu tečenja - yield strength) ili strukturnu čvrstoću, a η plastičnu viskoznost (plastic viscosity). Strukturna čvrstoća τ0 je veličina smičućeg napona koju treba prekoračiti (savladati) da bi se elastoplastično-viskozan sistem preveo u plastično stanje (stanje tečenja), koja prema nekim autorima za SCC ima vrednost 50-200 N/mm2, a za običan beton 500-2000 N/mm2. Plastična viskoznost η predstavlja unutrašnji otpor materijala prema fluidnom tečenju i smatra se da je za SCC ova

Slika 6 Grafička interpretacija Bingham-ovog reološkog modela [8]

vrednost 20-100 Pa⋅s, a za običan beton 50-100 Pa⋅s. SCC u sučtini predstavlja Bingham-ov materijal sa pseudo-plastičnim ponašanjem, što znači da njegova plastična viskoznost η nije konstantna veličina, već se menja u zavisnosti od veličine smičućeg naprezanja. Vrednost plastične viskoznosti je niska (η1) pri niskim vrednostima smičućih napona, a u isto vreme je visoka (η2), kada su visoka i smičuća naprezanja τ [9]. Sa porastom vrednosti η1 raste i otpornost prema segregaciji, dok sa smanjenjem vrednosti η2 raste sposobnost rasprostiranja. Prema tome, jasno je da za uticaj na najznačajnija svojstva SCC važe sledeće konstatacije: 7

-

Radi povećanja otpornosti prema segregaciji pri rasprostiranju, parametar η1, koji je po svojoj prirodi nizak, treba povećati, Radi dostizanja bolje spozobnosti rasprostiranja, čak i pri tako niskim smičućim naprezanjima, kakva su ona koja proizvodi samo sopstvena težina, bez ikakvih spoljnih uticaja, parametar η2, koji je po prirodi visok, potrebno je smanjiti.

Slična razmatranja odnose se i na vrednost strukturne čvrstoćeτ0: da bi sveža betonska smeša posedovala određenu "samougradljivost" ("self-compactibility"), vrednost τ0 mora da bude dovoljno niska, a da bi se izbegao rizik od segregacije, da bude istovremeno i dovoljno visoka. U narednom delu ovog poglavlja biće razmatran uticaj pojedinih parametara na napred opisana reološka svojstva SCC betona. Generalno se, međutim, može reći da parametri koji utiču na povećanje (ili smanjenje) strukturne čvrstoće τ0 izazivaju istovremeno i povećanje (ili smanjenje) plastične viskoznosti η i to najčešće istovremeno i η1 i η2. 4.2 Uticaj pojedinih sastojaka i vodocementnog faktora SCC betona na reološka svojstva 4.2.1 Cement Svojstva cementa koja utiču na reološka svojstva betona uopšte, pa time i na svojstva SCC betona, su finoća mliva i sadržaj minerala C3S. Veća finoća mliva, odnosno veći sadržaj minerala C3S, povećavaju istovremeno i strukturnu čvrstoću i plastičnu viskoznost -η1 i η2. Prema tome, cementi bogatiji sa C3S i sa većom specifičnom površinom po Blain-uutiču na sposobnost samozbijanja, odnosno na samougradljivost na sledeći način: -

Sa jedne strane, povećane vrednosti τ0 i η1 su povoljne, jer smanjuju tendenciju SCC ka segregaciji, Sa druge strane, pak, povećanje plastične viskoznosti η2 smanjiće sposobnost rasprostiranja SCC (pri većim smičućim naprezanjima).

4.2.2 Mineralni dodaci (pucolanski materijali i kameno brašno) Prirodni pucolani (pucolanska, santorinska ili dijatomejska zemlja, opalska breča, vulkanski tuf, vulkanski pepeo, apatiti i dr.), zatim elektrofilterski (leteći) pepeo, granulisana zgura, silikatna prašina, kao vrste večtačkh pucolana, ali isto tako i kameno brašno, predstavljaju praktično veoma poželjne sastojke (konstituente ili ingredijente) SCC betona. U suštini, ovakve, vrlo fine čestice (ispod 0,125 mm) povećavaju strukturnu čvrstoću i plastičnu viskoznost η1, bez značajnije promene vrednosti η2. Drugim rečima, ovakvi materijali povećavaju otpornost SCC ka segregaciji, bez snižavanja sposobnosti tečenja (rasprostiranja) mešavine. 4.2.3 Vodocementni faktor Sa snižavanjem vrednosti vodocementnog faktora povećavaju se i smičauća čvrstoća mešavina, ali isto tako i obe vrednoti plastičnog viskoziteta -η1 i η2. To znači, da bi se postigao dovoljan nivo sposobnosti samozbijanja (samougradljivosti) neophodno je usvojiti takvu vrednost vodocementnog faktora kako bi se u datom slučaju sprečilo značajnije smanjenje sposobnosti rasprostiranja mešavine. 4.2.4 Hemijski dodaci (aditivi) Uticaj hemijskih dodataka (aditiva) na reološka svojstva betona, uopšte, pa samim tim i na reološka svojstva betona tipa SCC, zavise od vrste aditiva. Retarderi, na primer, umanjuju i 8

strukturnu čvrstoću i plastičnu viskoznost. Shodno tome, oni daju doprinos tečenju (pokretljivosti) mešavina, ali i smanjuju otpornost ka segregaciji. Superplastifikatori, kao što je poznato, povećavaju ugradljivost mešavina pri nepromenjenoj vrednosti vodocementnog faktora, te, prema tome, smanjuju i τ0 i η. Hemijski dodaci velike sposobnosti redukcije vode-HRWRA, smanjujući potrebnu količinu vode pri nepromenjenoj ugradljivosti, povećavaju (donekle) vrednosti τ0 i η. Ovi efekti su vrlo slični napred navedenim efektima aditiva retardera i finoće mliva cementa [9]. Imajući u vidu da je za obezbeđenje sposobnosti samozbijanja SCC betona važno postići dovoljno visoku strukturnu čvrstoću τ0 i visoku vrednost η1, uz istovremeno smanjenje vrednosti η2, preporučuje se primena superplastifikatora ili hemijskih dodataka tipa HRWRA, bez prevelikog smanjenja vodocementnog faktora, kako bi se putem sniženja vrednosti η2 povećala ugradljivost (pokretljivost), uz istovremenu primenu hemijskih dodataka modifikatora viskoziteta (VMA) radi povećanja otpornosti na segregaciju. 4.2.5 Hemijski dodaci za modifikaciju viskoziteta (VMA) Hemijski dodaci za modifikaciju viskoziteta (Viskosity Modififying Admixtures-VMA) su specijalni konstituent samozbijajućih-SCC betona, sposobni da menjaju njihov viskozitet, tj. njihovu plastičnu viskoznost. Ovi aditivi se obično koriste za poboljšanje pumpabilnosti «mršavih» ili «posnih» betonskih mešavina koje se ugrađuju (transportuju) putem pumpi za beton. U mršavim (posnim) betonskim mešavinama mali sadržaj cementa otežava pumpanje betona. Teškoća pumpanja se još više uvećava dodavanjem vode ili superplastifikatora, kao posledica smanjenja viskoznosti cementne paste, što favorizuje segregaciju: pod dejstvom pritiska u cevi prilikom pumpanja, brzina kretanja niskoviskozne cementne paste je veća od brzine kretanja krupnog agregata, što dovodi do blokiranja betona u cevima i time do ometanja transporta mešavina pumpanjem. Hemijski dodaci za olakšavanje pumpanja (povećanja pumpabilnosti) betona su uglavnom celulozne, modifikovane supstance, ili polimeri visokih molekulskih masa. Nasuprot tome, hemijski dodaci za modifikaciju viskoziteta SCC mešavina su polimeri na bazi celuloze, rastvorljivi u vodi, proizvodi na bazi glilola ili biopolimeri. Modifikatori viskoziteta za samozbijajuće betone (VMA) treba da zadovolje sledeće uslove: -

-

-

Da imaju visoku rastvorljivost u alkalnoj sredini cementne paste, Da nemaju značajniji uticaj na hidrataciju cementa, Da poseduju sposobnost promene viskoziteta betona, u cilju postizanja visoke otpornosti na segregaciju, bez smanjenja njegove deformabilnosti. Ove uslove garantuju VMA hemijski dodaci sposobni da povećaju vrednost parametra η1 i da smanje vrednost parametra η2, Da omoguće unošenje (doziranje) u mešalcu putem običnih (tradicionalnih) dozatora za tečnosti, kojima raspolažu pogoni za proizvodnju «isporučenog betona» (ready-mixed concrete) ili pogoni za prefabrikaciju, Da uticaj na cenu koštanja betona bude niži, u odnosu na potrebu za dobijanjem odgovarajućih pobošanja reoloških svojstava SCC mešavina.

Promena viskoznosti betona putem dodavanja VMA agenasa uglavnom je bazirana na dva različita mehanizma: -

Adsorpcija na površini vrlo finih praškastih čestica (adsorptivni agensi za viskoznost), Disperzija VMA agensa u vodu za mešanje betona i konsekventno tome povećanje viskoziteta tečne faze u betonu (ne-adsorptivni agensi za viskoznost). 9

Adsorptivni agensi za modifikaciju viskoznosti formiraju veze između čestica praha, ostvarujući povećanu plastičnu viskoznost, uz istovremeno smanjenje fluidnosti betona. Izgleda da se ovakav efekat može pripisati nižoj adsorptivnosti superplastifikatora na površini zrnaca cementa, zahvaljujući preprekama koje predstavlja prisustvo adsorptivnih agenasa za viskoznost. Nasuprot tome, ne-adsorptivni agensi za modifikaciju viskoznosti, sposobni su da povećaju plastičnu viskoznost mešavine bez značajnijeg smanjenja fluidnosti mešavine. To se pripisuje činjenici da pošto je ovaj agens dispergovan u vodi, adsorpcija superplastifikatora se ne smanjuje i, adekvatno tome, deformabilnost mešavine nije umanjena. Biopolimeri predstavljaju hemijske dodatke za modifikaciju viskoznosti koji najviše obećavaju u proizvodnji SCC betona. Ovi proizvodi dobijaju se od biljaka (guar2, i dr.), od algi ili kontrolisanom fermentacijom u prisustvu specifičnih mikroorganizanama (bakterija). Izgleda da ovi proizvodi daju betonu pseudoplastično ponašanje, potrebno za svojstva samozbijanja. Ovakvi proizvodi uključuju: Xantan, Welan, Gellan, Succinoglycane, Scleroglycan, i.t.d. Među njima, čini se da Welan-guma i Succinoglycane najbolje garantuju ova svojstva. U poređenju sa običnim (tradicionalnim) hemijskimdodacima za pumpani beton, biopolimeri su spodobni da obezbede iste (srazmerne) doprinose koheziji (smičućoj čvrstoći) i plastičnoj viskoznosti η1, i time isti doprinos otpornosti SCC mešavine na segregaciju. Štaviše, biopolimeri (kao što je Welan-guma) obezbeđuju plastičnu viskoznost pri višim vrednostima smičućih naprezanja (η2) koja je 2 puta niža od one koja bi se postigla korišćenjem tradicionalnih hemijskih dodataka za pumpane betone, na bazi celuloze. Pseudoplastično ponašanje pripisuje se posebnoj molekulskoj strukturi biopolimera, koja omogućuje: -

Pri nižem nivou smičućeg naprezanja, stvaranje trodimenzionalne gelske mreže, kojom se povećava plastična viskoznost betonske mešavine, Pri višem nivou smičućeg naprezanja, usmerenje molekula u pravcu kretanja, bez bilo kakve prepreke rasprostiranju betona.

Dodavanje hemijskih dodataka tipa VMA betonskim mešavinama zahteva povećanje potrebe za vodom da bi se dostigla zahtevana pokretljivost (obradljivost). Ovaj, na prvi pogled negativan efekat, ima razne prednosti koje se sastoje u smanjenju zavisnosti reoloških svojstava od temperaturnih varijacija, promene finoće zrna cementa i peska. Drugim rečima, to znači da hemijski dodatak VMA obezbeđuje betonu zahtevani nivo samougradljivosti za jedan širi opseg vrednosti vodopraškastog faktora [9]. Konačno, čini se jasnijim, da se napred objašnjavana dva, međusobno oprečna reološka zahteva, koji se postavljaju pred samozbijajuće betonske mešavine: (1) postizanje zadovoljavajuće otpornosti SCC na segregaciju i (2) istovremeno dovoljne deformabilnosti («samopokretljivosti») mešavine, mogu "pomiriti" na sledeći način: -

2

Primenom dovoljne količine vrlo finih čestica (ispod 125 µm), uz smanjeno učešće krupnog agregata; Primenom efikasnih superplastifikatora nove generacije, kojima se povećava "samopokretljivost" mase (pri nepromenljivoj vrednosti vodocementnog faktora); Primenom hemijskih dodataka "visoke sposobnosti redukcije vode" (High Range WaterReducing Agents - HRWRA), čime se omogućava određeno sniženje količine vode, tj. vodo-cementnog faktora, uz nepromenjenu ugradljivost (fluidnost, pokretljivost) mešavine, a time i povećanju vrednosti strukturne čvrstoće τ0 i plastične viskoznosti η;

) Jednogodišnja mahunasta biljka poreklom iz Indie; gaji se u jugozapadnom delu SAD za stočnu hranu

10

-

Primenom hemijskih dodataka "modifikatora viskoziteta" (viscosity modifying agentsVMA), čime se obezbeđuje istovremeno povećanje otpornosti na segregaciju samozbijajućih betonskih mešavina i povećanje stepena fluidnosti ("samopokretljivosti").

Ovakve samozbijajuće betone vrlo visokih nivoa fluidnosti ("samopokretljivosti"), kod kojih se primenjuju hemijski dodaci tipa HRWRA i VMA, neki autori, odnosno neki proizvođači nove generacije hemijskih dodataka (npr. "Master Builders Technologies"- MBT ili "Mapei") danas još zovu i "reodinamičkim betonima" (Rheodynamic Concrete). Na Slici 7, prema katalogu proizvođača "Master Builders Technologies-MBT" dat je, prikaz interakcije između čestica cementa i molekula superplastifikatora, uz objašnjenje disperzionog i prostornog efekta hemijskih dodataka tipa superplastifikatora, odnosno HRWRA ovog proizvođača, iz grupe hemijskih dodataka poznate pod imenom "Glenium"[10]. Molekuli "Glenium"-a, hemijskog dodatka na bazi modifikovanog "polycarboxilic ether"-a, privučeni okvašenim česticama cementa, kao disperzione faze u okviru disperznog sistema cement-voda, obuhvataju ove čestice već tokom mešanja betona. Na ovaj način povećava se negativni elektrostatički naboj površine cementnih zrna, što izaziva njihovo snažno međusobno odbijanje (A), a kao rezultat dobija se značajno povećanje ugradljivosti betonskih smeša, uprkos niskom sadržaju vode. Ovi molekuli lančanih oblika (B) doprinose stvaranju prostornog efekta, što dodatno pojačava sposobnost zrnaca cementa da ostaju na međusobnom odstojanju (C), dopuštajući u isto vreme izvanredan disperzioni efekat.

Slika 7 Prikaz mehanizma interakcije između čestica cementa i molekula superplastifikatora [9]

Redukcijom sadržaja krupnog agregata i ograničenjem gornje granice krupnoće zrna agregata na najviše 20-25 mm, smanjuje se trenje i međusobno "sudaranje" (collision) njegovih zrna, zatim 11

efekat zida (oplate) i blokiranje zrna pri prolasku kroz armaturne sklopove (efekat rešetke-armature ili "blocking effect"), što sve zajedno doprinosi većoj pokretljivosti sveže betonske mase i omogućava lako ispunjavanje svih delova i svih uglova oplate, odnosno olakšava prolaz mešavine i kroz vrlo gust (prenatrpan) splet šipki armature (videti Sliku 8). Prema navodima stručnjaka drugog od napred navedenih velikih proizvođača aditiva, firme "Mapei" iz Italije [11], posebna odlika aditiva tipa "Viskosity Modifying Agent"-VMA, upravo leži u tome da, povećavajući kohezivnost cementne paste, eliminiše "blocking effect" u betonu u blizini šipki armature. Za vreme ugrađivanja (unošenja u oplatu) samozbijajućeg betona aditiv VMA može da obezbedi potpuno obavijanje ("wraping") zrna krupnog agregata slojem maltera dovoljne debljine -"excess mortar" [11], što je jasno naznačeno u donjem delu priložene Slike 8.

Slika 8 Segregacija iblok iranje zrna kod običnih betona (normal concrete) - gore i visoka sposobnost prolaska i stabilnost malterske komponente, kod samozbijajućih betonskih mešavina (self compacting concrete) – dole[11]

5. PROJEKTOVANJE SASTAVA SAMOZBIJAJUĆIH (SAMOUGRADLJIVIH) BETONSKIH MEŠAVINA 5.1 Opšti principi Samozbijajući beton (Self-Compacting Concrete-SCC), svakako mora da se svojim sastavom razlikuje od klasičnog betona, koji se ugrađuje vibrirnjem. Osnovne razlike sastoje se u sledećem: - Veća količina finih čestica, sitnijih od 125 µm (cement, aktivni ili inertni mineralni dodaci i najfinija zrna agregata), - Manja količina krupnog agregata, čije nominalno najveće zrno ne bi trebalo da bude krupnije od 20-25 mm, 12

- Obavezna primena aditiva superplastifikatora, odnosno aditiva "velike sposobnosti redukcije vode" (high range water-reducing agents-HRWRA), - Primena aditiva modifikatora viskoziteta svežeg betona (Viscosity Modifying Agents VMA). Napred pobrojane osnovne razlike u sastavu klasičnog i samozbijajućeg betona grafički se mogu predstaviti kao na Slici 9.

Slika9 Shematski prikaz razlike sastava običnih i samozbijajućih betonskih mešavina [11]

Luigi Coppola u svom radu pod naslovom „Reološko proporcioniranje i svojstva samozbijajućih betona [9] navodi, da sa reološkog aspekta, samozbijajući beton može da se posmatra kao dvofazni sistem, u kome I faza – pasta (voda, cement i čestice ispod 0,150 mm) predstavlja „transportnu fazu“, dok II faza – sitan i krupan agregat predstavlja „transportovanu fazu“. U jednom takvom dvofaznom sistemu, dakle, da bi se postigla određena sposobnost „samozbijanja“ (self – compactibility), ili sposobnost „samougradljivosti“ (self–placebility), potrebno je povećati zapreminu vrlo finih čestica i, konsekventno tome, smanjiti zapreminu krupnog agregata. Navedeni autor smatra kao praktično pravilo da kod samozbijajućih betona treba obezbediti zapreminu finih čestica u rasponu od 170 – 195 l/m3. Betoni sa ovom količinom vrlo finih čestica, smatra Coppola, zahtevaju male količine aditiva–modifikatora viskoziteta (VMA)– 0,1% težine finih čestica, dok u slučaju kada se primenjuje veća dozaža ove vrste aditiva, zapremina vrlo finih čestica može se smanjiti na 140-160 l/m3. Dovoljnu količinu vrlo finih čestica, međutim, ne treba obezbeđivati samo primenom većih količina cementa, kako bi se izbegli neizbežni rizici pojave većih dimenzionalnih promena i pojave pukotina, kao posledice većih temperaturnih gradijenata. Dakle, spravljanje samozbijajućih betona treba da bude bazirano na kombinovanoj primeni cementa i vrlo finog praha niske hidratacione toplote, kao što su elektrofilterski pepeo, krečnjačko kameno brašno, samlevena granulisana zgura, metakaolin i sl. [10]. Smanjenje zapremine krupnog agregata, nastavlja dalje u navedenom radu Coppola, neophodno je istovremeno radi smanjenja zapremine „transportovane faze“ i radi smanjenja mogućnosti „sudaranja“ zrna agregata „odgovornih“ za blokiranje rasprostiranja betona u tzv. „restriktivnim zonama“ konstrukcijskih elemenata, posebno onih zona sa vrlo gustom armaturom. Iz tih razloga, ovaj autor smatra da zapremina krupnog agregata treba da iznosi najviše 340 l/m3. 13

Hajime Okamura, u prethodnom poglavlju ovog rada spomenut kao “otac SCC“-a, zajedno sa Masahiro Ouchi-jem, u svom radu pod naslovom „Samozbijajući beton“[12], u poglavlju „Metod projektovanja mešavina“, kao Racionalni metod projektovanja, daju sledeći predlog : (1) Krupan agregat fiksirati na 50% u odnosu na zapreminu čvrstih sastojaka (solid volume), (2) Sitan agregat fiksirati na 40% u odnosu na zapreminu malterske komponente (praškasta komponenta + fini agregat-pesak + voda), (3) Vodopraškasti faktor (zapreminski odnos) uzeti u rasponu 0,9 do 1,0, u zavisnosti od svojstava unetih praškastih čestica, (4) Dozažu superplastifikatora i konačnu vrednost vodopraškastog faktora, usvojiti tako da zadovolje sposobnost „samozbijanja“ (self – compactibility). 5.2 Primeri projektovanja mešavina samozbijajućeg betona Kao prvi primer za ilustraciju projektovanja sastava samozbijajućeg betona (SCC) usvojićemo napred navedeni koncept H. Okamura-e i M Ouchi-ja. Pretpostavićemo primer betona čija je projektovana marka, shodno Pravilniku BAB '87, MB 45 (prema Evropskom standardu EN2061:2000 - klasa 35/45). Pretpostavimo da se beton spravlja od rečnog agregata krupnoće do 22,4 mm (γsa = γza = 2700 kg/m3), cementa klase 42,5 (γsc = 3000 kg/m3) i krečnjačkog kamenog brašna (filera), kao inertne praškaste komponente (γsf=2800 kg/m3). Za usvojenu 28-dnevnu čvrstoću od 51 MPa, potreban vodocementni faktor prema poznatom izrazu Skramtajeva iznosi 0,40. Usvojiće se potrebna količina vode od mv=160 kg/m3, što, uz primenu 1,5% superplastifikatora treće generacije HRWRA, u odnosu na masu cementa (kojim se potrebna količina vode smanjuje i do 25%) i 1% aditiva modifikatora viskoziteta (VMA), znači da se može očekivati zadovoljenje potrebnog svojstva „samozbijanja“ i stabilnosti u pogledu segregacje. Potrebna količina cementa je mc=160/0,40=400 kg/m3. Pretpostavimo takođe da u betonu nakon zbijanja ima 3% zaostalog vazduha (vv=0,03 m3). Ostali elementi projektovanja mešavine betona u tom slučaju su, kako sledi: -

Zapremina čvrstih sastojaka: vč = 1,00-(0,16+0,03)=1,00-0,19=0,81 m3 Zapremina krupnog agregata (4/22,4 mm): va k= 0,50⋅0,81=0,405 m3 Masa krupnog agregata: mak = 0,405⋅2700 = 1093,5≅1095 kg/m3 Zapremina malterske komponente: vm =1,00–(vak+vv)=1,00-(0,405+0,03)=0,565 m3 Zapremina sitnog agregata: vas =0,40⋅0,565=0,226 m3 Masa sitnog agregata: mas = 0,226⋅2700 = 610,2 ≅610 kg/m3 Ukupna masa agregata: ma =1095+610=1705 kg/m3 Usvojen vodopraškasti faktor: vv/vp = 0,92 Zapremina praškaste komponente: vp = 0,16/0,92=0,174 m3 Zapremina cementa: vc = 400/3000 ≅ 0,133 m3 Zapremina kamenog brašna (filera): vf = 0,174 – 0,133 = 0,041 m3 Masa kamenog brašna (filera): mf = 0,041⋅2800 = 114,8 ≅115 kg/m3 Masa aditiva superplastifikatora: msp = 0,015⋅400 = 6 kg/m3 Masa aditiva modifikatora viskoziteta: mmv = 0,01⋅400 = 4 kg/m3 Zapreminska masa svežeg betona: γb,sv = 400+160+1705+115+6+4=2390 kg/m3.

Kao drugi primer odabran je nešto detaljniji prikaz projektovanja mešavine za SCC beton visoke čvrstoće, čija su prethodna ispitivanja urađena u okviru jedne doktorske teze, čija je izrada u toku na Građevinskom fakultetu Univerziteta u Beogradu [13]. Za izradu ovakvog betona visokih mehaničkih karakteristika, kao osnovne komponente odabrane su jedna vrsta drobljenog agregata sa maksimalnim zrnom do 16 mm (γsa = 2700 kg/m3) i Portland cement CEM I 42,5 N, domaćeg proizvođača (γsc = 3000 kg/m3). Kao mineralna komponenta sa česticama veličine ispod 0,125 mm odabrano je krečnjačko kameno brašno iz domaćeg kamenoloma (γsf = 2700 kg/m3) i silikatna 14

prašina - gotov proizvod pod imenom «Sika Fume ® – HR», švajcarskog proizvođača «Sika» (γsc=2200 kg/m3). Usvojen je hemijsi dodatak superplastifikator ADWA® Flow 390, američkog proizvođača GRACE (italijanski ogranak).

Y(%)

granulometrijske krive pojedinih frakcija 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

0 - 2 mm 2 - 4 mm 4 - 8 mm 8 - 11 mm 11 - 16 mm F E 0.13

0.25

0.5

1

2

4

8

11.2 16

22.5

d ( mm )

100 80 60 40 20 22.5

8 11.2 16

4

2

1

0.5

0.25

0 0.13

0

prolaznost kroz sito / %

Slika 10 Granulometrijske krive primenjenih frakcija agregata

otvori sita d (mm) Slika 11 Granulometrijska kriva usvojene mešavine agregata Određivanje potrebne količine superplastifikatora – Ispitivanje razlivanja maltera: Tabela 1: I proba: Filer Pesak 0 – 2 mm Pesak 2– 4 mm Cement Silikatna prašina Hem. dodatak Voda Razlivanje

mf =150gr 550 gr 300 gr mc =482 gr ( 536 *0,9) msp = 53,6 gr (536 * 0,1 ) mhd = 5 gr (5 cm3) mv = 195 gr (0,195 cm3) d1 = 14,5 cm

vp=0,2406 cm3; (vv+vad)/vp=0,200/0,2406=0,831

Tabela 2: II proba: 15

(0,0555 cm3) vc = 0,1607 cm3 vsp = 0,0244 cm3 vhd =0,005 cm3 vv=0,195 cm3 (d12-d02)/d02=1,102

Filer Pesak 0 – 2 mm Pesak 2– 4 mm Cement Silikatna prašina Hem. dodatak Voda Razlivanje

mf = 150gr 550 gr 300 gr mc = 482 gr ( 536 *0,9) msp = 53,6 gr (536 * 0,1 ) mhd = 5 gr mv = 215 gr d1 = 21cm

vp=0,2406 cm3; (vv+vad)/vp=0,220/0,2406=0,914

vf = 0,0555 cm3) vc = 0,1607 cm3 vsp = 0,0244 cm3 vhd =0,005 cm3 vv=0,215 cm3 (d12-d02)/d02=3,41

Tabela 3: III proba: Filer Pesak 0 – 2 mm Pesak 2– 4 mm Cement Silikatna prašina Hem. dodatak Voda Razlivanje

mf = 150gr 550 gr 300 gr mc = 482 gr ( 536 *0,9) msp = 53,6 gr (536 * 0,1) mhd = 5 gr (5 cm3) mv = 220 gr (0,220 cm3) d1 = 26,5cm

vp=0,2406 cm3; (vv+vhd)/vp=0,225/0,2406=0,935

(0,0555 cm3) vc = 0,1607 cm3 vsp = 0,0244 cm3 vhd =0,005 cm3 vv=0,225 cm3 (d12-d02)/d02=6,02

Na osnovu ove tri probe sa malterskom komponentom, dobijene su tri tačke zavisnosti između relativnog rasprostiranja sleganjem (relative slump flow) – (d12 – d02 ) i vodopraškastog odnosa (water-powder ratio) - vv /vp , na osnovu koje se obično prilikom projektovanja mešavina usvaja merodavna vrednost vodopraškastog odnosa. Ova zavisnost za konkretni primer prikazana je dijagramom na Slici 12 [13]. Reoliškim ispitivanjima betonske mešavine sa ovako dobijenim odnosom vv /vp, (metodom sleganja rasprostiranjem i metodom V–levka), međutim, nije zadovoljen uslov potrebnog rasprostiranja sleganjem, te je konačno usvojena mešavina kod koje je ovaj odnos 0,938. Potrebno je samo napomenuti da je u napred prikazanim probama na malterskoj komponenti, a zatim i na betonskoj mešavini, u zapreminu vode uključivana i zapremina primenjenog hemijskog dodatka superplastifikatora, tako da kao vodopraškasti odnos uvek figuriše odnos (vv+vhd)/vp .

16

Slika 12 Zavisnost vodopraškastog faktora i relativnog rasprostiranja sleganjem Tabela 4 Usvojena receptura sveže betonske mešavine: Cement: Silikatna prašina: Voda: Hemijski dodataksuperplastifikator: Kameno brašno (filer): Agregat: frakcija 0 – 2 mm frakcija 2 – 4 mm frakcija 4 – 8 mm frakcija 8– 11,2 mm frakcija 11,2–16mm

mc=500 kg/m3; vc=0,1667 m3 msp=50 kg/m3; vsp=0,0227 m3 mv=219 kg/m3; vv=0,2190 m3 mhd=9 kg/m3; vhd=0,0090 m3 mf = 145 kg/m3 m0-2=495,0 kg/m3 m2-4=251,1 kg/m3 m4-8 = 264,3 kg/m3 m8-11 = 214,8 kg/m3 m11-16 = 280 kg/m3

vc=0,1667 m3; vsp=0,0227 m3; vf=0,0537 m3; vp= vc+ vsp+ vf =0,1667+0,0227+0,0537=0,2431 m3; vv=0,2190 m3; vhd=0,0090 m3 ⇒ (vv+vad)/vp=0,228/0,2431=0,938 Na konkretnoj svežoj mešavini izmereno je razastiranje obrnutog Abramsovog konusa od 67,5 sm. Merenje prolaska između šipki armature na L - boksu pokazalo je dobru prolaznost ( H2/H1 = 0,96) ali u nešto dužem vremenskom intervalu . I merenje viskoznosti putem V- levka dalo je nešto duže vreme od 11 sekundi, što je posledica veće viskoznosti koju imaju mešavine sa dodatkom silikatne prašine. Priraštaj čvrstoće kroz vreme prikazan je dijagramom na Slici 13. Kao što se može videti na Slici 13, čvrstoća predmetnog samozbijajućeg betona već nakon 7 dana iznosila je cca 43 MPa, na 28 dana imala je vrednost od cca 84 MPa I na 90 dana cca 90 MPa.

17

Прираштај чврстоће бетона на притисак кроз време 10% SiO2

100,00

90,00

80,00

60,00

50,00

40,00

притисна чврстоћа /МРа

70,00

30,00

20,00

10,00

91

84

77

70

63

56

49

42

35

28

21

14

7

0

0,00

време /дани

Slika 13 Prikaz rasta čvrstoće u funkciji starosti betona [13] 6.

OSNOVNA ISPITIVANJA REOLOŠKO-TEHNOLOŠKIH SVOJSTAVA SAMOZBIJAJUĆIH BETONSKIH MEŠAVINA

Metoda sleganja (slump method), koja se najčešće koristi za ispitivanje konzistencije običnih betonskih mešavina, posebno na mestu ugrađivanja betona, za samozbijajuće betonske mešavine, s obzirom na vrlo visoku fluidnost (pokretljivost), ne može se primeniti. Mera sleganja ∆h kod ovakvih mešavina, razume se, uvek bi bila jednaka razlici između početne visine Abramsovog konusa (h=30 cm) i veličine maksimalnog zrna agregata, Dmax=8-25 mm (videti Sliku 9-levo). Zbog toga, za ispitivanje reoloških svojstava samozbijajućih betonskih mešavina koriste se drugi postupci. Najčešće se pri tome koriste sledeće metode: - Metoda sleganja rasprostiranjem (slump-flow test), - Metoda V-levka (V-funnel test), - Metoda U-boksa ili U-boks test (U-shaped box test), - Metoda L-boksa ili L-boks test (L-shaped box test). Osim gore navedena 4 postupka, kojima se najčešće proveravaju reološko-tehnološka svojstva, odnosno potrebno svojstvo «samozbijanja» ili «samougradljivosti», u praksi se koriste još neki postupci, o kojima u nastavku ovog teksta neće biti reči, kao što su: - Metoda J – prstena (J – ring test), za laboratorijska ispitivanja, - Metoda popunjavanja boksa (Fill box), - Metoda GTM – Test stabilnosti mešavine (GTM screen stability test), - Metoda Orimet testa (Orimet test).

6.1

Metoda sleganja rasprostiranjem (slump-flow test)

Ova metoda koristi poznati Abramsov konus, koji predstavlja osnovni deo opreme metode sleganja ("slump method"), pri čemu se, kako je to pokazano na Slici 14 i Slici 15, meri prečnik rasprostiranja betona nakon odizanja konusa, kada beton prestane da teče: df = (d1+d2)/2, ali, prema 18

nekim autorima, takođe i vreme t500 , potrebno da beton tokom rasprostiranja dostigne prečnik df =500 mm. U tu svrhu firma "Mapei" predlaže i primenu posebnih tabli na kojima se ovaj test obavlja (Slika 15). Samo se po sebi razume da ove dve veličine, kao mere "pokretljivosti", odnosno "fluidnosti" betonske mešavine, podrazumevaju da je "pokretljivost" ("fluidnost"), pa time i sposobnost samozbijanja mešavine, utoliko veća, ukoliko je df veće, odnosno t500 manje.

Slika 14 Prikaz ispitivanja "pokretljivosti" ("fluidnosti") samozbijajućih betonskih mešavina metodom "slump flow test"-a [9]

Slika 15 Radna tabla za ispitivanje sleganja rasprostiranjem za lako očitavanje prečnika rasprostiranja i merenje vremena t500 [11]

Obično se kao kriterijum po kome neka mešavina pripada kategoriji samozbijajućih mešavina usvajaju sledeće vrednosti [10], [14]: df ≥ 600 mm,

t500 = 5-12 sec

(2) 19

6.2

Metoda V-levka (V-funnel test)

Ova metoda ispitivanja podrazumeva merenje vremena tVF , potrebnog da određena zapremina betona, ubačena u levak, čije dimenzije, obično (uz male razlike), odgovaraju dimenzijama na Slici 16 [9], "iscuri" ili "isteče" iz levka nakon otvaranja dna levka (open gate). Prema nekim izvorima [14], [15], dimenzije V-levka donekle se razlikuju, pri čemu je širina levka uvek konstantna po celoj visini i iznosi 75 mm, visina gornjeg dela levka je 425-450 mm, a dužina gornjeg otvora 500-515 mm (uz zadovoljen nagib bočnih stranica gornjeg dela levka 2:1). Visina suženog, donjeg dela levka uvek je 150 mm, a dimenzije donjeg otvora sa pokretnim dnom za izlaz betonske mešavine, 65/75 ili 75/75. Vreme tVF , kao mera "pokretljivosti" ("fluidnosti") samozbijajućih betonskih mešavina normalno treba da iznosi između 2 i 12 sec [9], [11].

Slika 16 V-levak (V-Funnel test) 6.3 Metoda U-boksa ili U-boks test (U-shaped box test) Veoma pouzdan, kompletan uvid u svojstva samozbijajućih betonskih mešavina može se dobiti ispitivanjem po metodi U-boksa, odnosno prema U-boks testu (Slika 16). Prema izvoru [9] koriste se i boksovi istih osnovnih dimenzija, sa horizontalnim, umesto polukružnim dnom. Druga unutrašnja dimenzija boksa prikazanog na Slici 16 (upravna na ravan crteža) iznosi 200 mm. Kao što se sa prikazanog crteža (levo) može videti, boks je vertikalnom pregradom podeljen na dva

Slika 16 Osnovne dimenzije U-boksa [2]

20

Slika 17 Fotografija U-boksa firme "Mapei" [11]

dela, pri čemu pregrada u svom donjem delu, visine 190 mm, sadrži "prepreku" formiranu od 3 vertikalne okrugle šipke armature prečnika 13 mm (ili, kao varijantu, 5 šipki prečnika 10 mm), u zavisnosti od toga da li je u konstrukciji koja se izvodi minimalni razmak šipki armature e ≤ 50 mm, ili 50 ≤ e ≤ 150 mm, respektivno [9]. Ova prepreka sadrži pokretna vratanca (center gate), koja su na početku testa, pri punjenju levog dela boksa betonom do vrha (680 mm), zatvorena. Po odizanju ovih vratanaca na gore (videti Sliku 16), beton prolazeći kroz navedenu prepreku ispunjava do određene visine ("height") drugu, desnu polovinu boksa. Mera sposobnosti "samozbijanja" (self-compactibility) mešavine ogleda se u visini penjanja betona ("height") nakon podizanja vratanaca, kao i u vremenu tF , potrebnom da se beton popne do ove visine. Generalno se smatra, [9], [11], da ova visina kod samozbijajućih mešavina treba da bude najmanje 300 mm (340 mm odgovaralo bi izjednačenim nivoima, po principu spojenih sudova), a da vreme tF treba da iznosi 5-10 sec. Sam test, kao i navedeni uslovi, smatraju se kao "vrlo striktni" kriterijumi sposobnosti samozbijanja betonskih mešavina [11]. 6.4

Metoda L-boksa ili L-boks test (L-shaped box test)

Na Slici 18 prikazane su osnovne dimenzije dva tipa L-boksa, od kojih jedan (na slici levo) sadrži prepreke u vidu horizontalnih šipki (ukupno 5 prepreka: 5x4φ20 mm), a drugi, na slici desno, jednu prepreku od vertikalnih šipki: 3 φ12 mm. Ispitivanje se u oba slučaja sastoji u merenju rastojanja dF između pregradnih vratanaca ("partition gate") i tačke na horizontalnom delu boksa, na kojoj se betonska mešavina zaustavi nakon otvaranja vratanaca, zajedno sa vremenom tF, potrebnom da betonska mešavina stigne u ovu krajnju tačku, nakon otvaranja vratanaca. Ovakav test daje još kompletniju ukupnu indikaciju o sposobnosti samozbijanja mešavine nego u slučaju Uboksa, budući da su veličine dF i tF u striktnoj korelaciji sa deformabilnošću, viskozitetom i sposobnošću tečenja ("flowing ability") betonske mešavine. Ispitivanje se često dopunjuje još i merenjem visina H1 i H2 (videti sliku desno) i sračunavanjem odnosa H2 /H1 , koji daje vrlo dobar uvid u efekat blokiranja kretanja betonske mešavine od strane prepreka, odnosno u sposobnost prolaska ("passing ability") mešavine kroz uzane prostore između šipki armature (blocking ratio).

21

Slika 18. L-boks sa preprekom od horizontalnih (gore), odnosno vertikalnih (dole) šipki armature [9]

6.5

Specijalni postupci za kontinualnu kontrolu fluidnosti mešavina na gradilištu neposredno pre unošenja u oplatu

Osim napred navedenih konvencionalnih postupaka ispitivanja reoloških svojstava samozbijajućih betonskih mešavina, ova svojstva se mogu meriti i na gradilištu, pomoću specijalnih uređaja prikazanih u okviru Slike 18 i Slike 19. Okamura [9] predlaže dae sav beton koji se dopremi na gradilište automešalicom, prlikom istovara iz auto mešalice propusti kroz uređaj koji je šematski prikazan na Slici 18, postavljen neposredno ispred levka pumpe za beton. Beton koji ne prođe kroz ovakav uređaj ili čiji je protok kroz uređaj značajno usporen, vraća se, jer ne može biti transportovati pumpom, odnosno ne može se smatrati samozbijajućim betonom. Sličan uređaj dat je u katalozima, odnosno u prospektnoj dokumentaciji firme «Mapei» [11], kojim se proverava sposobnost samozbijanja (samougradljivosti) pre nego što se beton iz utomešalice izruči u pretovarni bunker ili u prenosnu korpu za transport kranom do mesta unošenja u oplatu.

22

Slika 18 Specijalni uređaj za kontinuiranu kontrolu fluidnosti mešavina SCC na gradilištu [5]

Slika 19 Specijalni uređaj za kontrolu fluidnosti (samougradljivosti) SCC mešavina na gradilištu [11]

Svaka od napred navedenih metoda za ispitivanje reoloških, odnosno tehnoloških svojstava mešavina samozbijajućih betona, razume se, ne može svojim rezultatom podjednako dobro, sa podjednako visokom sigurnošću, da opiše svako od reološko-tehnoloških svojstava ovakvih mešavina. U Tabeli 1 dat je pregled opisanih konvencionalnih postupaka, sa naznakom o tome koje od reološko-tehnoloških svojstava svaka pojedina metoda najbolje opisuje . 23

Tabela 5 Pregled efikasnosti postupaka ispitivanja reološko-tehnoloških svojstava[9], [11]

Postupak (metoda) ispitivanja Sleganje rasprostiranjem (Slump-flow test) V- levak (V-funnel) U-boks (U-shaped box test) L-boks (L-shaped box test)

Odgovarajuće reološko-tehnološko svojstvo Kohezivnost mešavine, plastični viskozitet mešavine Plastični viskozitet mešavine Kohezivnost, plastični viskozitet, sposobnost prolaska kroz uzane prostore, otpornost na segregaciju tečenja Kohezivnost, plastični viskozitet, sposobnost prolaska kroz uzane prostore, otpornost na segregaciju tečenja

8. PRIMERI PRIMENE SAMOZBIJAJUĆEG BETONA Budući da je prvi put proizveden u Japanu, samougradljiv beton je u početku primenjivan na velikim i značajnim projektima u ovoj zemlji. Jedan od prvih takvih projekata bio je čuveni AkashiKaikyo Bridge - viseći most sa centralnim rasponom od 1991 m (najveći raspon na svetu) i ukupnom dužinom od 3911 m, na kome je ovaj beton u toku 1993. i 1994. godine korišćen za izradu 2 (od 4) ankerna bloka sa vrlo gustom armaturom, dimenzija 84,5x63x47,5 m (cca 253000 m3 betona - Slika 20 i Slika 21). Beton je u cilju smanjenja toplote hidratacije spravljan sa metalurškim cementom i sa maksimalnim zrnom agregata od 40 mm (količina cementa: 260 kg/m3). Primena ovog betona omogućila je dnevnu ugradnju (pumpanjem) od 1900 m3 betona i skraćenje vremena izgradnje ankernih blokova sa 30 meseci na 24 meseca (20 %). Most je pušten u saobraćaj 1998. godine [2].

Slika 20 Most Akashi-Kaikio u Japanu-izgled gotovog mosta

24

Slika 21 U prvom planu - 2 ankerna bloka mosta Akashi-Kaikio u Japanu

Drugi veliki projekat, takođe u Japanu, bio je izgradnja rezervoara kapaciteta 180000 m3 za "Luquid Natural Gas" (LNG) kompaniju (Slika 22), gde je, zahvaljujući primeni samougradljivog betona čvrstoće 60 MPa, debljina zidova sa prvobitno projektovanih 90 cm smanjena na 60 cm, a vreme izgradnje sa 22 meseci smanjeno na 18 meseci, a planiranii broj od 150 radnika smanjen je na samo 50 radnika [2].

Slika 22. Jedan od izgrađenih rezervoara za "Luquid Natural Gas" (LNG) kompaniju u Japanu

25

Samougradljiv beton, zbog svoje izražene fluidnosti, veoma je povoljan i u slučajevima podbetoniravanja, što je, primera radi, u Holandiji iskorišćeno kod betoniranja dveju poprečnih greda ispod glavnih nosača jednog postojećeg mosta (Slika 23), da bi se izradili dodatni oslonci. Ovde je, očigledno, bilo vrlo teško primeniti klasičan, vibrirani beton, pa je na način koji je jasan sa priložene slike, betoniranje dodatnih poprečnih greda izvršeno punjenjem oplate sa oba kraja greda [15] .

Slika 23. Betoniranje jedne od dve dodatne poprečne grede na jednom mostu u Holandij i[15]

U toku 1996. godine, takođe u Holandiji, samougradljiv beton primenjen je kod jednog vrlo važnog detalja na mostu sa kosim zategama u Zaltbommel-u, prikazanom na Slici 24. Srednji raspon mosta je 256 m, dok krajni rasponi iznose po 76 m. Kako su krajnji rasponi manji od polovine glavnog raspona (128 m), za obezbeđenje ravnoteže bilo je neophodno primeniti specijalno ankerisanje kablova u krajnje stubove (videti detalj a na Slici 25). U tu svrhu krajevi glavnih podužnih nosača mosta su povećani (trougaona površina na prikazanom detalju a). Da bi se obezbedila potrebna dodatna težina i omogućilo ankerisanje kosih kablova, u prikazanom proširenju, osim vrlo guste rebraste "meke" armature prikazane na slici, smešteno je još (videti detalj na Slici 25): 6 glavnih, kosih kablova, 4 vertikalna kabla, 20 kablova za prednaprezanje krajnje poprečne grede i 2 kabla za prednaprezanje dodatne, prefabrikovane grede [15].

Slika 24 Dispozicija Zaltbommel mosta u Holandiji

26

Slika 25 Detalj (a) Zaltbommel mosta u Holandiji

Posebne prednosti primene samougradljivog betona u odnosu na konvencionalni beton svakako nalaze mesta u industrijkoj izradi-prefabrikaciji betonskih elemenata [1], gde je vibriranje betona ne samo jedna od najznačajnijih i najskupljih stavki, već predstavlja i vrlo ozbiljan ekološki problem, odnosno problem zaštite radnika. Efekat vibracija na radnike u pogonima za prefabrikaciju dobro je poznat. Hiperstimulacija perifernog nervnog sistema dovodi do tzv. "sindroma mrtvih prstiju", gubitka svakog osećaja u prstima, ali u određenim slučajevima i do drugih, psihičkih poremećaja, kao što insomnija i gubitak mnemotehničih sposobnosti. Pogon za prefabrikaciju betonskih elemenata kompanije "Al Meraikhi" u Abu Dhabi-ju (Ujedinjeni Arapski Emirati) već jedan duži period primenjuje samougradljiv beton za izradu raznih elemenata: mostovskih nosača (Slika 26), velikih zidnih elemenata, cevi i dr. [16].

Slika26 Model prefabrikovanog mostovskog nosača [13]

27

Poslednji primer koji se ovde navodi odnosi se na betoniranje dva niza od po 6 stubova kružno-prstenastog, odnosno eliptično-prstenastog poprečnog preseka, visokih 6 m i 10 m, koji nose krov atrijuma "Shoping centre Midsummer Place" - a, izvedenog 2001. godine u Londonu - projekta vrednog 65 miliona funti [17]. Autor navodi da su stubovi bili tako gusto armirani (rebrastom armaturom) da je "primena konvencionalne tehnike betoniranja bila nepraktična". Betoniranje većih, eliptičnih stubova, kod kojih je zapremina betona iznosila cca 16 m3, trajalo je cca 30 min po jednom stubu. Čvrstoća betona nakon 24 h iznosila je 50 N/mm2, a nakon 28 dana 70 N/mm2. Vredno je ovde dodati i to da da je, prema rečima navedenog autora članka [17], "Shoping centre Midsummer Place" bila prva primena ovakve vrste betona u Velikoj Britaniji. Osim skraćenja vremena betoniranja za cca 40%, dobijena je i ušteda u ceni radova od 10%, zahvaljujući pre svega "takvom kvalitetu površine stubova, koja je troškove njihove završne obrade svela na minimum" (Slika 27).

Slika 27 Jedan od stubova Shoping centra"Midsummer Place"[14]

Umesto Zaključka, neka bude dopušteno autoru ovog rada, čija je želja da domaćoj građevinskoj javnosti koliko-toliko približi problematiku samozbijajućih betona, koji su danas pravi hit ugrađevinarstvu, da u nešto slobodnijem prevodu citira par rečenica iz rada navedenog u popisu literature pod brojem 18: »Na horizontu se pojavilo nešto što će verovatno imati dramatičan uticaj na način prefabrikacije betonskih konstrukcija. U suštini, industrija prefabrikovanih elemenata i konstrukcija, odnosno industrija u oblasti proizvodnje vibro-opreme, fokusiraju svoju pažnju na ovu inovaciju koja se zove samozbijajući beton (SCC), ili samougradljivi beton (SPC) ili samokonsolidovan beton. Čini se prosto neverovatnim da beton sam može da uradi deo posla za vas. Ali, to je zaista tako. SCC izliven u oplatu može u njoj da teče, zaobilazi i najgušće spletove armature, dostiže do svih tesnih delova oplate, a sve to bez ikakvih uloženih standardnih napora za njegovo zbijanje. 28

Danas je moguće izvesti vrlo kvalitetne betonske elemente bez upotrebe vibratora, koji je tako dugo bio neprikosnoven."

7.

LITERATURA

1.

Dean, A., Frank, P.E.: "Self-Compacting Concrete" - SCC places itself in a class of its own", N.P.C.A., 2001. Ouchi M.: "Self-Compacting Concrete - Development, Aplication and Investigation", Kochi University of Technology, Japan, 1998. Soroka, I.: "Chemical Deterioration of the Concrete" / Paper submitted to the 5th Meeting of RILEM TC 94-CHC, Copenhagen, 1991. Simm, J. D. & Fookes, P. G.: Improving Reinforced Concrete Durability in the Middle East During the Period 1960-1985. Asnalytical Review, Proc. Inst. Civ. Engrs, Part 1, London 1977. Okamura, H.: "Presentation as a Ferguson Lecture"/ACI Fall Convention, New Orleans, 1996, Concrete International, Julz, 1997. Todorović, J.: Samozbijajući beton – Seminarski rad na Građevinskom fakultetu Univerziteta u Beogradu, Novembar, 2004. EFNARC - «Specification and Guidelines for Self Compacting Concrete», EFNARC, Association House, 99 West Street, Farnham, Surrey GU9 7EN, UK. Kordts, S., und Breit, W.: Beurteilung der Frischbetoneigenschaften von Selbstverdichtendemn Beton Assessment of the fresh concrete properties of self compacting concrete. Copola, L.: "Rheology Proportioning and Properties of Self-Compacting Concretes, Enco, Engineering Concrete, Spresiano (TV), Italy. Katalog firme MASTER BUILDERS TECHNOLOGY: "GLENIUM - The New Genaration Superplasticizer for High Performance Concrete". Katalog firme MAPEI: "Self-Compacting Concrete". Okamura, H. And Ouchi, M.: "Self- Compacting Concrete", Kochi University of Technology, Japan, Journal of Advanced Concrete Technology Vol. 1, No. 1, 5-15, April 2003. Bajić, R.: "Visokovredni samozbijajući beton u elementima sa izraženim glavnim naponima zatezanja", Doktorska disertacija čija je izrada u toku na Građevinskom fakultetu Univerziteta u Beogradu. Atsushi, M., Kyuchi, M., Takehiko, M., Noboru, S.: "Characterization of Powder for Self-Compacting Concrete", International Workshop on Self-Compacting Concrete, 1998.

2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

14.

15.

Waltraven, J,C.: "The development of Self-Compacting Concrete in the Nederlands"/ International Workshop on Self Compacting Concrete, 1998. Bartos, P.J.M.: "Measurment of Key Properties of Fresh Self-Compacting Concrete, Paris, 2000.

16.

Al Meraikhi, Abu Dhabi (UAE): "Abu Dhabi Trip Contract No. 980 - Umm Al Nar Bridge & Tunel Interchange. Nocher, M.: "Flowing Smootly and Quietly"/Concrete Quaterly-Spring 2001. Maeyama, A.: "Characterization of Powder for Self Compacting Concrete" / International Workshop on Self Compacting Concrete, 1998. Ferrais, Ch., Brower, L., Ozyldirim, C., Daczko, M.: "Workability of Self Compacting Concrete" / FIB International Symposium on High Performance Concrete, 2000. Dehn, F., Holschemacher, K., Weise, D.: " Self Compacting Concrete (SCC) Time Development of the Material Properties and the Bond Behaviour" / Lacer No. 5, Leipzig, 2000. Victor, C. Li, Kong, H.J., Yin-Wen Chan: "Development of Self Compacting Cementitious Composites".

17. 18. 19. 20. 21.

29

100 00 0 0 1 2 4 811 2

0

STVARNA 11 1 1 1 1 2 2 2 3 4 5 6 7 8 1 1 1 GRANULO 00 1 2 5 7 0 3 8 3 2 0 0 1 3 0 0 0 000 METRIotvori sita d (mm)

30

prolaznost kroz sito / %

usvojena granulometrijska kriva Y = 0.088x( fi) + 0.30x(0-2) + 0.152x(2-4) + 0.16x(48) + 0.13x(8-11.2) +0.17(11.2-16)